基于TMS320C6416的高分辨率成像声呐软件设计

　　近年来随着海洋开发的日益深入和水下探测的持续发展，高分辨率成像声呐的发展越来越受到人们的重视。高分辨率成像声呐具有阵元数多、工作频率高、数据量庞大、要求实时成像的特点，这些对系统的硬件和软件设计都提出了很高的要求。针对上述要求，我们选用了TI公司生产的高性能数字信号处理芯片TMS320C6416，专门设计了一种分布式的并行信号处理平台。

　　TMS320C6416是TI公司新近推出的高性能数字信号处理器，其工作频率最高可达到1GHz，比其它系列DSP的运算速度有着明显的提高。并且TMS320C6416片内集成了许多外围设备，支持多种工业标准的接口协议，能够提供高带宽的数据I/O能力[1]。这些特点使TMS320C6416芯片具有很高的综合性能。本文就是结合TMS320C6416芯片的这些特点，讨论了高频成像声呐的软件部分在TMS320C6416处理芯片上的实现方法。并结合该并行系统的硬件特点，对并行系统的软件设计、任务规划和板间通信方式进行了详细的描述。

　　1 系统介绍

　　1.1 系统的硬件结构

　　针对高分辨率成像声呐数据吞吐量大又要满足高速实时成像要求的特点，我们设计了一种由八块采集处理板和一块主控板并行完成的分布式并行处理平台，系统结构框图如图1所示。其中，每块处理板的数字信号处理部分的结构如图2所示。

　　1.2 高分辨率成像声呐的性能指标及算法

　　为了满足高分辨率的要求，并参考国外最先进产品的指标，将系统的指标设计如下：中心频率，1MHz;阵元间距，1.5mm;阵元个数，128路阵元;波束开角，±20º;距离分辨率，5cm;水平分辨率，0.375º(-3dB);作用范围，5m、10m、20m三个档位。

　　波束形成采用了常规数字延时求和波束形成算法。同时为了降低系统的采样率和满足近场的成像条件，还分别使用了内插滤波和近场聚焦的方法。其中，常规的数字延时求和波束形成器的结构如图3所示。

　　图中，x(t)n是第n个基元的输出，τn是补偿第n路基元声程差的时间延迟，ωn是第n个基元的权系数，阵元数为N。这里，给出数字形式的波束形成器输出b(mΔ0)[2]：

　　式中，δ是系统采样时间间隔;Δ0是波束形成器输出的时间间隔; m为整数，表示以Δ0为间隔的第m次波束形成输出。并且，通常来说延迟时间τn应是系统采样间隔δ的整数倍，表示成数字的形式为。这里n=1,,N，Mn表示由τn决定的第n个阵元的整数倍延迟个数。

　　1.3 程序设计流程

　　针对1.1节介绍的硬件结构和1.2节介绍的算法特点，将并行处理板的不同子处理板任务划分如下：数据采集和主要的波束形成算法由八块采集处理板并行完成;主控板主要用于数据上传、数据合成及控制命令的接收和传送;档位信息和增益调整通过水上主机的串口向主控板发送命令来完成。在一帧数据计算完成之后，采集处理板向主控板发出HPI中断，主控板接收到这个中断后，将各块采集板处理完成的数据依次通过HPI口分别接收到主控板的内部RAM并进行数据合成，合成后的最终数据再通过HPI 口由光纤传送到主机进行显示和分析。图4是具体的软件设计流程图，其中图(a)为八块采集处理板的内部程序流程图，图(b)为主控板的内部程序流程图。